CN101483462B - 一种下行阵列信号处理的方法、系统及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种下行阵列信号处理的方法，应用于包括至少两个天线阵的通信系统中，该方法能获得较佳阵列增益信号，并能提高系统的稳定性。该方法包括估计至少一个信道状态参数，将所述至少一个信道状态参数的估计值与设定的对应的门限参数值进行比较，根据比较结果确定处理下行阵列信号的方式，所述方式包括将下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形或将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形，根据所述确定的方式处理下行阵列信号。本发明还公开了一种下行阵列信号处理的系统以及一种基站。

Description

一种下行阵列信号处理的方法、系统及装置

技术领域

本发明涉及移动通信技术领域，尤指一种下行阵列信号处理的方法、系统及装置。

背景技术

多天线阵的移动通信系统中的多天线阵包括至少两个天线阵，天线阵之间的距离足够远以至可以认为所述天线阵与终端之间的信道时相对独立的，图1为两个独立的天线阵列。当然也可以使用双极化天线阵列，参见图2，这种阵列采用±45°交叉极化阵列代替两个独立的天线阵列，此阵列中，+45°极化天线阵的信号和-45°极化天线阵的信号是弱相关的。

目前，独立天线阵之间，对下行信号的处理一般是独立进行的。两个天线阵之间由于信号相关性比较弱，可以提供独立的信道，因此可以对下行信号进行分集和空间复用的设计，用以解决信号衰落问题或提高系统的吞吐量。天线阵内，一般采用小间距的模式，可以对下行信号进行波束赋形来进行干扰抑制和提高终端接收功率。

如果把多个天线阵统一考虑，对下行阵列信号进行波束赋形或者采用其他的发射算法，那么其性能和具体的算法有关系。如果采用基于空间信息的波束赋形算法，那么实际上联合处理的意义不大，因为多个天线阵的信号是独立的，其结果和多个天线阵独立赋形无差异。如果采用基于特征值分解的赋形算法，如果信道估计的结果与实际信道无差异，那么实际上可获得比多天线独立处理更高的增益。

然而信道估计的误差是不可控的，上行信道估计系统即TDD系统一般通过上行的信道估计进行下行的多天线发射信号处理，上、下行信道之间存在时延，这造成了上下行信道的不匹配，即信道估计与实际信道之间的不匹配，这使得联合处理会有一定的误差。反馈信道估计系统即FDD系统一般通过反馈获得基站与终端之间的信道信息，也存在同样的反馈延迟的问题。

因此目前针对基于多天线阵系统的下行信号的处理方法都存在不足，如果采用多个天线阵独立处理下行信号的方法，则相对于一个2N单元天线阵，两个N单元天线阵的下行波束的赋形增益会降低3dB；如果采用多个天线阵联合处理下行信号的算法，则在上、下行信道相关性交叉时造成系统性能恶化。

发明内容

有鉴如此，本发明实施例提供了一种下行阵列信号处理的方法，应用于包括至少两个天线阵的通信系统中，用于解决采用至少两个天线阵独立处理下行信号时，下行波束的赋形增益降低的问题或采用至少两个天线阵联合处理下行信号时，上、下行信道相关性交叉时造成系统性能恶化的问题。

本发明实施例提供了一种下行阵列信号处理的方法，应用于包括至少两个天线阵的通信系统中，包括：

估计至少一个信道状态参数；

将所述至少一个信道状态参数的估计值与设定的对应的门限参数值进行比较，根据比较结果确定处理下行阵列信号的方式，所述方式包括将下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形或将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形；

根据所述确定的方式处理下行阵列信号。

本发明实施例提供了一种下行阵列信号处理的系统，包括：含至少两个天线阵的基站和移动终端；

所述基站，用于估计至少一个信道状态参数，将所述至少一个信道状态参数的估计值与设定的对应的门限参数值进行比较，根据比较结果确定处理下行阵列信号的方式，所述方式包括将下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形或将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形，根据所述确定的方式处理下行阵列信号，并发送所述处理后的下行阵列信号；

所述移动终端，用于接收所述基站发送的下行阵列信号。

本发明实施例提供了一种基站，包括至少两个天线阵，该装置包括：

估计模块，用于估计至少一个信道状态参数；

比较模块，用于将所述至少一个信道状态参数的估计值与设定对应的门限参数值进行比较；

确定模块，用于根据比较结果确定处理下行阵列信号的方式，所述方式包括将下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形或将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形；

处理模块，用于根据所述确定的方式处理下行阵列信号；

发送模块，用于发送所述处理后的下行阵列信号。

本发明实施例应用于包括至少两个天线阵的通信系统中，估计至少一个信道状态参数，将所述至少一个信道状态参数的估计值与设定的对应的门限参数值进行比较，根据比较结果确定处理下行阵列信号的方式，所述方式包括将下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形或将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形，根据所述确定的方式处理下行阵列信号，这样可以根据下行信道的实际情况来选择是进行至少两个阵列的联合处理下行阵列信号还是进行至少两个阵列的独立处理下行阵列信号，从而在获得较佳的阵列增益信号的同时提高了系统的稳定性。

附图说明

图1是现有技术多天线阵系统；

图2是现有技术双极化天线阵系统；

图3是本发明实施例下行信号处理的方法流程图；

图4是本发明实施例联合波束赋形示意图；

图5是本发明实施例独立波束赋形示意图。

具体实施方式

本发明实施例提供了一种根据信道变化信息处理下行阵列信号的方法，该方法的目的在于根据下行信道的实际情况来选择是进行至少两个阵列的联合处理下行阵列信号还是进行至少两个阵列的独立处理下行阵列信号。本实施例中假设至少两个天线阵列可以联合校准以抵消不同通道的幅相差异。参照图3，具体执行步骤如下：

步骤301：估计至少一个信道状态参数。

本实施例中，所述信道状态参数包括：移动终端的移动速度，信道相关参数和信道的多普勒频偏等等。可以估计出任意一个或两个信道状态参数，也可以估计出多个信道状态参数。

步骤302：将所述至少一个信道状态参数的估计值与设定的对应的门限参数值进行比较。

本实施例中，设定信道状态参数对应的门限参数值时，可以根据分析计算，经验或者仿真可以获得信道状态参数的门限值，即可以获得移动终端的移动速度的门限值，信道相关参数的门限值，以及信道的多普勒频偏的门限值等等。

本步骤具体执行过程如下：当步骤301估计出的信道状态参数为一个时，则所述信道状态参数的优先级最高，设定该信道状态参数对应的门限参数值，将所述信道状态参数的估计值与门限参数值进行比较得到比较结果。

当步骤301估计出的信道状态参数为至少两个时，判断所述每个信道状态参数的优先级，将所述优先级高的信道状态参数的估计值与设定的对应的门限参数值进行比较获得比较结果。

这里可以直接将优先级高的信道状态参数与对应的门限参数值进行比较得到比较结果。较佳地，可以设定所述至少两个信道状态参数对应的门限参数值，建立所述至少两个信道状态参数的估计值与设定的对应的门限参数值进行比较的函数，根据优先级高的信道状态参数获得比较结果。

步骤303：根据比较结果确定处理下行阵列信号的方式。

若步骤302中优先级高的信道状态参数是移动终端的移动速度，那么当所述比较结果为移动终端的移动速度小于等于门限移动终端的移动速度时，所述处理下行阵列信号的方式是将下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形；当所述比较结果为移动终端的移动速度大于门限移动速度时，所述处理下行阵列信号的方式是将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形。

若步骤302中优先级高的信道状态参数是信道相关系数，则当所述比较结果为信道相关系数值大于等于门限信道相关参数值时，所述处理下行阵列信号的方式是将下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形；当所述比较结果为信道相关系数值小于门限信道相关系数值时，所述处理下行阵列信号的方式是将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形。

若步骤302中优先级高的信道状态参数是信道的多普勒频偏，则当所述比较结果为信道的多普勒频偏小于等于门限信道的多普勒频偏时，所述处理下行阵列信号的方式是将下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形；当所述比较结果为信道的多普勒频偏大于门限信道的多普勒频偏时，所述处理下行阵列信号的方式是将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形。

步骤304：根据所述确定的方式处理下行阵列信号。

下面结合说明书附图对本发明实施例作进一步详细描述。

步骤1：根据信道估计的结果进行信道状态参数的估计，这些信道状态参数主要是体现信道变化情况，包括：移动终端的移动速度v，信道相关系数ρ，信道的多普勒频偏f_D等等。

移动终端的移动速度v，一般来说，移动终端移动速度越快，信道变化越快，在一定上下行时间间隔内上下行信道的差异越大。

信道相关系数ρ，信道相关性直接体现上下行信道之间的相关特性，信道相关系数越大，表明上下行信道特性越接近，反之，则越独立。

信道的多普勒频偏f_D，一定程度上体现了信道的衰落速度。

对于这些参数的估计，目前都有一些公开的技术和方法，下面以根据TD-SCDMA下行广播信道/业务信道的训练序列进行信道的多普勒频偏估计为例进行说明。

该方法可以扩展到利用任意训练序列进行信道的多普勒频偏估计。假设接收序列与训练序列相关后的序列为r在序列r中取长度为N，时间间隔为T的两段子序列进行相关，得到

$z=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}r*\left(n\right)r(n+T)$

于是得到信道的多普勒频偏估计

${\hat{f}}_D=\frac{1}{2\mathrm{\πT}}-\arg \left(z\right)$

本实施例可以根据信道估计的结果估计出移动终端的移动速度v，信道相关系数ρ，信道的多普勒频偏f_D等等这些信道状态参数，也可以只估计出这些信道状态参数中的任意一个参数或者任意几个参数。

步骤2：根据分析计算、经验或者仿真获得各步骤1中所估计出的信道状态参数的门限参数值。移动终端的移动速度v，信道相关系数ρ，信道的多普勒频偏f_D对应的门限参数值分别为v_ε，ρ_ε，f_D，ε，并且将步骤1得到信道状态参数的估计值与门限参数值进行比较。在这里若上述估计出的信道参数为v，ρ，f_D其中的一个，其比较判断过程如下：

或者

或者

在本实施例中，若步骤1估计出多个信道状态参数，则可以将任意几个不同的信道参数进行结合使用，根据优先级高的信道状态参数的比较结果选择下一个步骤。

本实施例中，若估计出的信道状态参数有三个，即v，ρ，f_D，那么这里可以首先构造一个任意的逻辑函数f(v，ρ，f_D，v_ε，ρ_ε，f_D，ε)，如果该函数为1，则执行步骤3，否则执行步骤4。该函数可以根据系统的特点、各参数估计的准确程度和重要性设置各个信道状态参数的优先级。例如，一般认为信道相关性最能体现信道的变化，则可以认为信道相关系数ρ的优先级最高，所以如果信道相关系数值大于门限信道相关系数值时，但是移动终端的移动速度大于门限移动终端的移动速度或信道的多普勒频偏大于门限信道的多普勒频偏时，则也采用更为稳定的步骤3，否则采用步骤4。这样逻辑函数可以写成：

f(v，ρ，f_D，v_ε，ρ_ε，f_D，ε)＝(ρ≥ρ_ε)&(f_D≤f_D，ε)&(v≤v_ε)

步骤3：对下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形处理。根据上行信道估计(TDD系统)或者反馈的信道估计(FDD系统)进行至少两个阵列的联合波束赋形。参见图4，以两个阵列为例，假设第1个阵列单元数为N₁，第2个阵列的单元数为N₂，两个阵列的信道估计分别为

$h_1={\[h_{11},h_{12},\·\·\·,h_{1N_1}\]}^T$

和

$h_2={\[h_{21},h_{22},\·\·\·,h_{2N_2}\]}^T$

则建立整个天线阵系统的信道估计，即包括两个天线阵的信道估计为

$h={\[h_1^T,h_2^T\]}^T$

这样，根据整个天线系统的信道估计进行特征值波束赋形，具体执行过程如下：

根据信道估计结果可以获得用户的空间协方差矩阵

R＝hh^H

上述空间协方差可以是瞬时值也可以是平均值，其中()^H表示共轭转置运算，即(h)^H表示对h进行共轭转置运算，以功率准则的特征波束赋形为例，赋形系数w就是R矩阵最大特征值对应的特征向量。

因此，获取赋形系数w，

$w={\[w^{\left(1\right)},w^{\left(2\right)},\·\·\·,w^{(N_1+N_2)}\]}^T$

获得赋形系数后，使用该权系数对整个天线阵列进行赋形。其维数为(N₁+N₂，1)，

$s\left(t\right)=s\left(t\right)*w=s\left(t\right){\left[\begin{array}{c}{w}^{\left(1\right)}\\ w^{\left(2\right)}\\ \·\\ \·\\ \·\\ w^{(N_1+N_2)}\end{array}\right]}^T$

步骤4：对下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形处理。参见图5，同样以两个阵列为例，假设第1个阵列单元数为N₁，第2个阵列的单元数为N₂，两个阵列的信道估计分别为

$h_1={\[h_{11},h_{12},\·\·\·,h_{1N_1}\]}^T$

和

$h_2={\[h_{21},h_{22},\·\·\·,h_{2N_2}\]}^T$

这样，根据两个天线阵的信道估计分别做特征波束赋形，具体执行过程如步骤3所述，首先获得对应的用户的空间协方差矩阵R₁，R₂，然后获取赋形系数w₁(维数是(N₁，1))和赋形系数w₂(维数是(N₂，1))。

$w_1={\[w^{\left(\mathrm{1,1}\right)},w^{\left(\mathrm{1,2}\right)},\·\·\·,w^{\left({1,N}_1\right)}\]}^T$

$w_2={\[w^{(2,1)},w^{(2,2)},\·\·\·,w^{\left({2,N}_2\right)}\]}^T$

获得两个赋形系数后，将在两个天线阵上使用各自的赋形系数进行波束赋形。

$s\left(t\right)=\left[\begin{array}{c}{s}_1\left(t\right)\\ s_2\left(t\right)\end{array}\right]=s\left(t\right)*\left[\begin{array}{c}{w}_1\\ w_2\end{array}\right]=s\left(t\right){\left[\begin{array}{c}{w}^{\left(\mathrm{1,1}\right)}\\ w^{\left(\mathrm{1,2}\right)}\\ .\\ .\\ .\\ w^{(1,N_1)}\\ w^{\left(\mathrm{2,1}\right)}\\ w^{\left(\mathrm{2,2}\right)}\\ .\\ .\\ .\\ w^{(2,N_2)}\end{array}\right]}^T$

步骤5：基站发送步骤3或步骤4处理后的下行阵列信号。

当然，本发明实施例中所述的波束赋形方法也不仅限于特征波束赋形，还可以采用固定波束赋形等等方法。

根据上述方法可以构建一种下行信号处理系统，该系统还包括：含至少两个天线阵的基站和移动终端。

所述基站，用于估计至少一个信道状态参数，将所述至少一个信道状态参数的估计值与设定的对应的门限参数值进行比较，根据比较结果确定处理下行阵列信号的方式，所述方式包括将下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形或将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形，根据所述确定的方式处理下行阵列信号，并发送所述处理后的下行阵列信号。

所述移动终端，用于接收所述基站发送的下行阵列信号。

本实施例中，应用于包括至少两个天线阵的基站还包括：估计模块，比较模块，确定模块，处理模块和发送模块。

估计模块，用于估计至少一个信道状态参数；

比较模块，用于将所述至少一个信道状态参数的估计值与设定对应的门限参数值进行比较；

确定模块，用于根据比较结果确定处理下行阵列信号的方式，所述方式包括将下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形或将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形；

处理模块，用于根据所述确定的方式处理下行阵列信号；

发送模块，用于发送所述处理后的下行阵列信号。

其中估计模块包括：第一估计子模块，第二估计子模块和第三估计子模块。

第一估计子模块，用于估计移动终端的移动速度。

第二估计子模块，用于估计信道相关系数。

第三估计子模块，用于估计信道的多普勒频偏。

比较模块包括：判断模块和获得模块。

判断模块，用于判断所述至少一个信道状态参数的优先级；

获得模块，用于将所述优先级高的信道状态参数的估计值与设定的对应的门限参数值进行比较获得比较结果。

确定模块又进一步包括：第一联合模块，第一独立模块，第二联合模块，第二独立模块，第三联合模块和第三独立模块。

第一联合模块，用于当所述比较结果为移动终端的移动速度小于等于门限移动终端的移动速度时，所述处理下行阵列信号的方式为将下行信号进行至少两个阵列的联合波束赋形。

第一独立模块，用于当所述比较结果为移动终端的移动速度大于门限移动终端的移动速度时，所述处理下行阵列信号的方式为将下行信号进行至少两个阵列的独立波束赋形。

第二联合模块，用于当所述比较结果为信道相关系数值大于等于门限信道相关系数值时，所述处理下行阵列信号的方式为将下行信号进行至少两个阵列的联合波束赋形。

第二独立模块，用于当所述比较结果为信道相关系数值小于门限信道相关系数值时，所述处理下行阵列信号的方式为将下行信号进行至少两个阵列的独立波束赋形。

第三联合模块，用于当所述比较结果为信道的多普勒频偏小于等于门限信道的多普勒频偏时，所述处理下行阵列信号的方式为将下行信号进行至少两个阵列的联合波束赋形。

第三独立模块，用于当所述比较结果为信道的多普勒频偏大于门限信道的多普勒频偏时，所述处理下行阵列信号的方式为将下行信号进行至少两个阵列的独立波束赋形。

综上所述，本发明实施例本发明实施例估计至少一个信道状态参数，将所述至少一个信道状态参数的估计值与设定的对应的门限参数值进行比较，根据比较结果确定处理下行阵列信号的方式，根据所述确定的方式处理下行阵列信号，这样可以在信道变化不大的情况下，将下行信号进行至少两个阵列的联合波束赋形，从而获得更高的阵列增益信号，而当信道变化较大的情况下，将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形，从而避免了智能天线增益的恶化。

虽然通过实施例描绘了本发明，但本领域普通技术人员知道，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，就可使本发明有许多变形和变化，本发明的范围由所附的权利要求来限定。

Claims (11)

1.一种下行阵列信号处理的方法，应用于包括至少两个天线阵的通信系统中，其特征在于，该方法包括：

估计至少一个信道状态参数，其中，所述信道状态参数包括：移动终端的移动速度，信道相关参数或信道的多普勒频偏；

将所述至少一个信道状态参数的估计值与设定的对应的门限参数值进行比较，根据比较结果确定处理下行阵列信号的方式，所述方式包括将下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形或将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形；

根据所述确定的方式处理下行阵列信号。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将所述至少一个信道状态参数的估计值与设定的对应的门限参数值进行比较包括：

判断所述至少一个信道状态参数的优先级；

将所述优先级高的信道状态参数的估计值与设定的对应的门限参数值进行比较获得比较结果。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述优先级高的信道状态参数是移动终端的移动速度时，所述根据比较结果确定处理下行阵列信号的方式包括：

当所述比较结果为移动终端的移动速度小于等于门限移动终端的移动速度时，所述处理下行阵列信号的方式为将下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形；

当所述比较结果为移动终端的移动速度大于门限移动终端的移动速度时，所述处理下行阵列信号的方式为将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形。

4.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述优先级高的信道状态参数是信道相关系数时，所述根据比较结果确定处理下行阵列信号的方式包括：

当所述比较结果为信道相关系数值大于等于门限信道相关系数值时，所述处理下行阵列信号的方式为将下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形；

当所述比较结果为信道相关系数值小于门限信道相关系数值时，所述处理下行阵列信号的方式为将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形。

5.如权利要求2所述的方法，其特征在于，当所述优先级高的信道状态参数是信道的多普勒频偏时，所述根据比较结果确定处理下行阵列信号的方式包括：

当所述比较结果为信道的多普勒频偏小于等于门限信道的多普勒频偏时，所述处理下行阵列信号的方式为将下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形；

当所述比较结果为信道的多普勒频偏大于门限信道的多普勒频偏时，所述处理下行阵列信号的方式为将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形。

6.一种下行阵列信号处理的系统，其特征在于，包括：含至少两个天线阵的基站和移动终端；

所述基站，用于估计至少一个信道状态参数，将所述至少一个信道状态参数的估计值与设定的对应的门限参数值进行比较，根据比较结果确定处理下行阵列信号的方式，所述方式包括将下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形或将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形，根据所述确定的方式处理下行阵列信号，并发送所述处理后的下行阵列信号，其中，所述信道状态参数包括：移动终端的移动速度，信道相关参数或信道的多普勒频偏；

所述移动终端，用于接收所述基站发送的下行阵列信号。

7.一种基站，包括至少两个天线阵，其特征在于，该装置还包括：

估计模块，用于估计至少一个信道状态参数，其中，所述信道状态参数包括：移动终端的移动速度，信道相关参数或信道的多普勒频偏；

比较模块，用于将所述至少一个信道状态参数的估计值与设定对应的门限参数值进行比较；

确定模块，用于根据比较结果确定处理下行阵列信号的方式，所述方式包括将下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形或将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形；

处理模块，用于根据所述确定的方式处理下行阵列信号；

发送模块，用于发送所述处理后的下行阵列信号。

8.如权利要求7所述的基站，其特征在于，所述比较模块包括：

判断模块，用于判断所述至少一个信道状态参数的优先级；

获得模块，用于将所述优先级高的信道状态参数的估计值与设定的对应的门限参数值进行比较获得比较结果。

9.如权利要求8所述的基站，其特征在于，所述确定模块包括：

第一联合模块，当所述比较结果为移动终端的移动速度小于等于门限移动终端的移动速度时，所述处理下行阵列信号的方式为将下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形；

第一独立模块，用于当所述比较结果为移动终端的移动速度大于门限移动终端的移动速度时，所述处理下行阵列信号的方式为将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形。

10.如权利要求8所述的基站，其特征在于，所述确定模块还包括：

第二联合模块，用于当所述比较结果为信道相关系数值大于等于门限信道相关系数值时，所述处理下行阵列信号的方式为将下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形；

第二独立模块，用于当所述比较结果为信道相关系数值小于门限信道相关系数值时，所述处理下行阵列信号的方式为将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形。

11.如权利要求8所述的基站，其特征在于，所述确定模块还包括：

第三联合模块，用于当所述比较结果为信道的多普勒频偏小于等于门限信道的多普勒频偏时，所述处理下行阵列信号的方式为将下行阵列信号进行至少两个阵列的联合波束赋形；

第三独立模块，用于当所述比较结果为信道的多普勒频偏大于门限信道的多普勒频偏时，所述处理下行阵列信号的方式为将下行阵列信号进行至少两个阵列的独立波束赋形。

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